钢渣的体积膨胀抑制及沥青混合料性能研究

内容导读采用有机硅防水剂对钢渣表面进行改性处理，从而达到抑制钢渣体积膨胀的目的，并对改性前后钢渣沥青混合料的高温稳定性?低温抗裂性?水稳定性和体积稳定性进行了对比分析?结果表明:改性钢渣沥青混合料能明显改善沥青路面的路用性能，延长使用寿命，具有较好的耐久性和安全性?

内容导读

采用有机硅防水剂对钢渣表面进行改性处理，从而达到抑制钢渣体积膨胀的目的，并对改性前后钢渣沥青混合料的高温稳定性?低温抗裂性?水稳定性和体积稳定性进行了对比分析?结果表明:改性钢渣沥青混合料能明显改善沥青路面的路用性能，延长使用寿命，具有较好的耐久性和安全性?

引言

钢渣是炼钢过程中产生的副产品，其生产量大约占粗钢产量的10%-20%[1,2,3]，但是钢渣的综合利用率仅有20%?钢渣坚硬耐磨，与沥青的黏附性较好，能有效满足沥青路面耐磨?抗滑等功能?但是钢渣中含有部分以游离态存在的氧化钙和氧化镁，遇水后反应产生体积膨胀[4,5]，且持续时间长，从而造成钢渣在工程应用中具有一定的膨胀隐患?

1.试验原材料性能

(1)试验用沥青为SBS改性沥青，其技术性能指标见表1；

(2)试验用的粗集料为钢渣，其物理力学性能指标见表2；

(3)试验用的细集料为玄武岩，表观相对密度为2.901，砂当量为76.2%；

(4)试验用的填料为石灰岩矿粉，表观密度为2.697，含水率为0.03%；

(5)有机硅防水剂由有机硅树脂?分散剂?渗透剂和消泡剂等配制而成，其中有机硅树脂采用丙烯酸改性有机硅树脂，其技术指标为:固含量≥50%，干燥时间≤1h/25℃，固化时间1.5h/200℃?

2 有机硅树脂防水剂改性效果研究

2.1 有机硅树脂防水剂用量的确定

用甲苯按用量比1:1稀释硅树脂，同时添加4%的助剂(助剂由渗透剂?消泡剂等按一定比例混合而成)，配制成硅树脂防水剂?分别喷洒按钢渣质量1%?2%?4%?6%的硅树脂防水剂，在喷洒过程中不断搅拌，然后放入180℃的烘箱中固化2～3小时，最后取出钢渣冷却?

4%的有机硅树脂防水剂对钢渣的改性效果最佳，能使钢渣的吸水率和压碎值分别降到0.53%和10.1%，这是因为防水剂在钢渣表面形成一层高强度致密薄膜，封住了细小孔隙和微裂缝，改善了钢渣的表面微观结构?

2.2改性钢渣与沥青的黏附性和体积安定性

以4%的硅树脂防水剂处理后的改性钢渣为研究对象，测试煮沸3min和30min后改性钢渣与沥青的黏附等级?按照《钢渣稳定性试验方法》(GB/T24175-2009)中的方法测试改性钢渣的浸水膨胀率，制备试件时，小于4.75mm粒径的集料采用未改性钢渣，如图2?3所示?从图中可知，钢渣经过改性处理后，钢渣与沥青的黏附性增强，浸水膨胀率降低，说明改性钢渣表面的硅树脂涂层起到了很好的隔离水分?阻止水分侵入的作用，从而达到抑制钢渣体积膨胀的目的?

图2 钢渣与沥青的黏附性

图3 钢渣的浸水膨胀率

2.3 改性钢渣的表面微观分析

采用SEM观察4%硅树脂防水剂处理后的改性钢渣的表面微观形貌，改性钢渣表面放大300和1200倍后的SEM成像图如图4所示?

图4改性钢渣表面微观图

经过硅树脂防水剂改性后的钢渣，表面形成了一层致密的防水薄膜，有效封闭了钢渣表面的微孔隙和裂纹(肉眼可见的大孔隙并没有被填补)，而且钢渣表面仍比较粗糙?

3 改性钢渣沥青混合料性能研究

3.1改性钢渣沥青混合料配合比设计

本研究采用规范要求的AC-13各个粒径范围的中值进行配合比设计，如图5所示，4.75mm粒径以上的粗集料采用钢渣，4.75mm粒径以下的细集料采用玄武岩，填料采用石灰岩矿粉?由于钢渣与天然集料在密度方面存在较大差异，因此需要通过体积-质量换算的方法得到不同粒径范围内集料的质量占比?

图5 矿料级配设计图

按规范成型马歇尔试件，测出马歇尔试件的体积参数，并通过马歇尔稳定度试验得出试件的稳定度和流值，最后确定玄武岩沥青混合料?普通钢渣沥青混合料和改性钢渣沥青混合料的最佳油石比分别为4.6%?5.3%和4.6%，表明钢渣经过改性处理后，降低了钢渣对沥青的吸收量?

3.2 改性钢渣沥青混合料路用性能研究

3.2.1 高温稳定性

三种沥青混合料均能满足规范要求，见图6，但是钢渣沥青混合料的动稳定度普遍低于玄武岩沥青混合料，主要因为钢渣的力学性能较玄武岩差，且钢渣沥青混合料沥青用量较多，在高温环境下容易产生车辙变形?改性钢渣沥青混合料的动稳定度比未改性钢渣沥青混合料提高了20%，说明通过表面改性处理的方式可以增强钢渣力学性能，提升钢渣沥青混合料的高温性能?

图6 车辙试验结果

3.2.2 低温抗裂性

低温弯曲破坏试验的结果见图7，三种沥青混合料的低温性能差距较小，普通钢渣沥青混合料弯曲破坏应变和抗弯拉强度略大于其它两种沥青混合料，这是因为沥青混合料的低温性能主要和沥青混合料的变形能力有关，而变形能力又主要由沥青种类?用量以及混合料级配组成决定，与集料的力学性能相关性并不大，普通钢渣沥青混合料的高沥青用量对低温性能有一定的提升作用?

3.2.2 体积稳定性

三种沥青混合料试件浸水体积膨胀率见图8，从图中可知，掺入钢渣的沥青混合料试件体积膨胀较大，主要原因是水分与钢渣接触，致使钢渣表面的活性成分反应体积膨胀，玄武岩沥青混合料产生轻微膨胀的原因是长时间浸水导致沥青混合料试件内部产生一定的松散?普通钢渣沥青混合料经过72h浸水后体积膨胀率达到了2.05%，不能满足规范JTGF40-2004的要求(<1.5%)，但改性钢渣沥青混合料试件的浸水膨胀率大大降低，浸水120h后的浸水膨胀率仍小于1.5%，这说明改性钢渣的体积稳定性获得了明显的提升?

图8 沥青混合料的浸水体积膨胀率

3.2.3 水稳定性

冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验的结果见图9，普通钢渣沥青混合料的冻融劈裂强度比与玄武岩沥青混合料相近，这说明经过冻融处理后，钢渣与表面的沥青膜仍然保持较好的黏结状态，钢渣尚未与水接触发生水化反应；但是普通钢渣沥青混合料的浸水残留稳定度达不到规范要求的85%，这说明在长时间的60℃水浴作用下，沥青与钢渣之间的粘结力下降程度较大，推测已有部分水分侵入钢渣内部，引起f-CaO的水化膨胀反应，从而导致钢渣水稳性变差，上述的浸水膨胀试验在一定程度上证实了该推测?改性钢渣沥青混合料冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验的试验结果均得到了增强，甚至超过了玄武岩沥青混合料，尤其是浸水残留稳定度，从原来的84.3%增长到了91.1%，这说明使用有机硅防水剂对钢渣进行表面改性处理能改善钢渣在沥青混合料中的体积膨胀性，从而使钢渣沥青混合料获得良好的水稳性能?

图9 沥青混合料水稳定性试验结果

4 结论

(1)采用有机硅防水剂对钢渣表面进行改性处理后，可将钢渣的吸水率?压碎值和72h浸水膨胀率分别降至0.53%?10.1%和0.96%?SEM的观测结果表明，有机硅防水剂能在钢渣表面形成一层致密的防水薄膜?

(2)与普通钢渣沥青混合料相比，改性钢渣沥青混合料的最佳油石比降低了0.7%，这说明钢渣改性处理后能显著降低钢渣的吸油量，节约成本?

(3)与普通钢渣沥青混合料相比，改性钢渣沥青混合料的高温稳定性和水稳定性均得到了提升，尤其是水稳定性，改性钢渣沥青混合料的冻融劈裂强度比和浸水残留稳定度提升至91.3%和91.1%，优于玄武岩沥青混合料，此外浸水膨胀率也有着较大降低，满足规范要求?